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    La nuova tecnica di microscopia rende possibile l'imaging cerebrale profondo in vivo

    Uno specchio deformabile utilizzato in microscopia per focalizzare la luce all'interno dei tessuti vivi. Normalmente distorcerebbero la sua propagazione. Grazie a questo specchio, possiamo vedere immagini chiare e nitide delle cellule neuronali nel profondo del cervello. Credito:Isabel Romero Calvo/EMBL

    Una tecnica pionieristica sviluppata dal Gruppo Prevedel dell'EMBL consente ai neuroscienziati di osservare i neuroni vivi nel profondo del cervello o qualsiasi altra cellula nascosta all'interno di un tessuto opaco. La tecnica si basa su due metodi di microscopia all'avanguardia, microscopia a tre fotoni e ottica adattiva. Il documento che riporta questo progresso è stato pubblicato il 30 settembre 2021 in Metodi della natura .

    Fino allo sviluppo della nuova tecnica, era difficile per i neuroscienziati osservare gli astrociti che generavano onde di calcio negli strati profondi della corteccia, o per visualizzare qualsiasi altra cellula neurale nell'ippocampo, una regione profonda nel cervello che è responsabile della memoria spaziale e della navigazione. Il fenomeno si verifica regolarmente nel cervello di tutti i mammiferi vivi. Sviluppando la nuova tecnica, Lina Streich del Gruppo Prevedel e i suoi collaboratori sono stati in grado di catturare i minimi dettagli di queste celle versatili ad un'alta risoluzione senza precedenti. Il team internazionale comprendeva ricercatori dalla Germania, Austria, Argentina, Cina, Francia, Gli stati uniti, India, e Giordano.

    Nelle neuroscienze, i tessuti cerebrali sono osservati principalmente in piccoli organismi modello o in campioni ex vivo che devono essere sezionati per essere osservati, entrambi i quali rappresentano condizioni non fisiologiche. La normale attività delle cellule cerebrali avviene solo negli animali vivi, ma il "cervello del topo è un tessuto altamente dispersivo, " disse Robert Prevedel. "In questi cervelli, la luce non può essere focalizzata molto facilmente, perché interagisce con i componenti cellulari. Questo limita la profondità con cui puoi generare un'immagine nitida, e rende molto difficile concentrarsi su piccole strutture nel profondo del cervello con le tecniche tradizionali".

    Grazie a Streich, un ex dottorando in laboratorio che ha lavorato per più di quattro anni per superare questo problema, gli scienziati possono ora scrutare ulteriormente nei tessuti.

    "Con le tradizionali tecniche di microscopia cerebrale a fluorescenza, due fotoni vengono assorbiti ogni volta dalla molecola di fluorescenza, e puoi assicurarti che l'eccitazione causata dalla radiazione sia limitata a un piccolo volume, " ha spiegato Prevedel, un fisico di formazione. "Ma più i fotoni viaggiano, più è probabile che vengano persi a causa della dispersione." Un modo per superare questo problema è aumentare la lunghezza d'onda dei fotoni eccitanti verso l'infrarosso, che garantisce energia di radiazione sufficiente per essere assorbita dal fluoroforo. Inoltre, l'uso di tre fotoni invece di due consente di ottenere immagini più nitide nel profondo del cervello. Ma resta un'altra sfida:assicurarsi che i fotoni siano focalizzati, in modo che l'intera immagine non sia sfocata.

    È qui che è importante la seconda tecnica utilizzata da Streich e dal suo team. L'ottica adattiva viene utilizzata regolarmente in astronomia - e in effetti era cruciale per Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez per ottenere il Premio Nobel per la Fisica nel 2020 per la scoperta dei buchi neri. Gli astrofisici usano deformabili, specchi controllati da computer per correggere in tempo reale la distorsione del fronte d'onda luminosa causata dalla turbolenza atmosferica. Nel laboratorio di Prevedel, la distorsione è causata dalla dispersione del tessuto disomogeneo, ma il principio e la tecnologia sono molto simili. "Utilizziamo anche uno specchio deformabile controllato attivamente, che è in grado di ottimizzare i fronti d'onda per consentire alla luce di convergere e concentrarsi anche in profondità all'interno del cervello, " ha spiegato Prevedel. "Abbiamo sviluppato un approccio personalizzato per renderlo abbastanza veloce da poter essere utilizzato su cellule vive nel cervello, " ha aggiunto Streich. Per ridurre l'invasività della tecnica, il team ha anche ridotto al minimo il numero di misurazioni necessarie per ottenere immagini di alta qualità.

    "Questa è la prima volta che queste tecniche sono state combinate, " disse Streich, "e grazie a loro, siamo stati in grado di mostrare le immagini in vivo più profonde di neuroni vivi ad alta risoluzione." Gli scienziati, che ha lavorato in collaborazione con i colleghi dell'EMBL Roma e dell'Università di Heidelberg, persino visualizzato i dendriti e gli assoni che collegano i neuroni nell'ippocampo, lasciando il cervello completamente intatto.

    "Questo è un passo avanti verso lo sviluppo di tecniche non invasive più avanzate per studiare i tessuti vivi, " ha detto Streich. Sebbene la tecnica sia stata sviluppata per l'uso su un cervello di topo, è facilmente applicabile a qualsiasi tessuto opaco. "Oltre all'ovvio vantaggio di poter studiare i tessuti biologici senza la necessità di sacrificare gli animali o rimuovere il tessuto sovrapposto, questa nuova tecnica apre la strada allo studio longitudinale di un animale, questo è, dall'inizio di una malattia fino alla fine. Ciò fornirà agli scienziati uno strumento potente per comprendere meglio come si sviluppano le malattie nei tessuti e negli organi".


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